太阳能-燃气轮机联合循环互补系统中太阳能集热、蓄热与高效热利用研究

The utilization of solar energy is facing the problem of low conversion efficiency and large volatility. The hybrid utilization of solar energy and fossil fuels is an important way to solve the problems existing in the solar-only thermal power system and realize the high-efficiency solar thermal conversion. The project takes the efficient and flexible utilization and storage of solar energy as the goal. Taking solar-gas turbine hybrid power generation, comprehensive utilization of different types of solar collectors and high-temperature molten salt heat storage materials as the main research objects, the project focuses on solar heat collection, energy level matching in transformation and system integration, the correlative mechanism of the selection of molten salt thermal storage materials, the screening and performance, and other core scientific issues. Aiming to reveal solar-gas turbine coupling mechanism, propose new and efficient solar and gas turbine hybrid power generation system, develop solar-gas turbine hybrid system integration theory, this project is carrying out theoretical, numerical and experimental studies from the aspects of key elements, process coupling and system integration. By exploring the principles of optimal integration of hybrid systems, it is of great academic significance and application value to make use of the advantages of high-efficiency heat-to-power conversion in the combined cycle gas turbine, to improve power generation from solar heat, and to achieve the dual purpose of utilizing solar energy efficiently and reducing carbon emissions. The research results will provide the theoretical basis for solar-fossil fuel hybrid power generation system integration and design.

太阳能规模利用面临着转换效率低和波动性大的难题，太阳能与化石能源互补利用是解决太阳能单一热利用中存在的诸多问题、实现太阳能高效利用的重要途径。本项目以太阳能的高效灵活利用和存储为目标，以太阳能-燃气轮机互补发电、不同种类太阳能集热系统综合利用、高温熔融盐储热材料为主要研究对象，围绕太阳能集热与能量传递转换之间品位匹配及系统整体耦合规律、熔融盐储热材料选配、筛选与性能的关联机制等核心科学问题，从关键单元、过程耦合和系统集成三个层面开展理论、数值和实验研究，旨在揭示太阳能-燃气轮机耦合机制，开发新型高效的太阳能与燃气轮机互补发电系统，发展太阳能-燃气轮机互补系统集成理论。通过探讨互补系统的优化集成规律，借助燃气轮机的高效热转功优势，提升太阳能热的作功能力，达到高效利用太阳能及降低碳排放的双重目的，具有重要的学术意义和应用价值。研究成果将为太阳能与化石能源互补发电提供系统集成与设计理论基础。

太阳能与化石能源互补利用是解决太阳能高效利用难题的重要途径之一。本项目以太阳能的高效灵活利用和存储为目标，围绕太阳能集热与能量传递转换之间品位匹配及系统整体耦合规律、熔融盐储热材料选配、筛选与性能的关联机制等核心科学问题，通过探讨互补系统的优化集成规律，借助燃气轮机的高效热转功优势，提升太阳能热的作功能力，达到高效利用太阳能及降低碳排放的双重目的，具有重要的学术意义和应用价值。研究成果将为太阳能与化石能源互补发电提供系统集成与设计理论基础。成果包括：（1）提出储热熔盐筛选与物性预测方法，绘制出多元相图，为储热材料遴选提供工具；（2）建立新型光伏光热结合式太阳能-燃气联合循环互补发电系统，提出耦合运行控制调度策略，实现发电功率的稳定输出。（3）建立光伏-光热源头耦合利用的多能互补发电系统：集光伏制氢，光热制汽，燃气-蒸汽联合循环以及氢氧燃烧于一体，以热、电能质匹配为切入口，实现光伏-光热的源头互补。申请发明专利2项，共发表论文31 篇，其中SCI 收录6 篇，工程热物理学会年会优秀论文1篇。培养硕士毕业生9人，指导本科毕设27人。指导研究生获工程热力学学会年会优秀论文二等奖1项，1名研究生获校级优秀毕业生，1名研究生获校级优秀毕业论文，1名本科生获得华北电力大学首届“百篇”优秀本科毕业设计（论文）奖。团队成员获批国家自然科学基金青年项目、面上项目、国家重点研发计划中国和芬兰政府间科技合作项目。项目负责人作为主笔人之一参与了中国科协牵头的十四五学科战略规划报告新能源发电部分的编写工作，本项目的最新成果也在报告中介绍。作为主要负责人之一，参与筹办了2019-2022年中国工程热物理学会工程热力学与能源利用分会学术会议。项目执行期间，共有20人次参与国内学术交流，分会场报告16次，特邀报告1次。项目执行期间，项目组与芬兰Wärtsilä集团、澳大利亚阿德莱德大学、美国亚利桑那大学、日本新泻大学等团队开展了学术交流和合作研究工作。